WO2018219542A1 - Verfahren zum übertemperaturschutz und audioeinrichtung - Google Patents

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WO2018219542A1
WO2018219542A1 PCT/EP2018/059281 EP2018059281W WO2018219542A1 WO 2018219542 A1 WO2018219542 A1 WO 2018219542A1 EP 2018059281 W EP2018059281 W EP 2018059281W WO 2018219542 A1 WO2018219542 A1 WO 2018219542A1
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component
temperature
power loss
audio
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PCT/EP2018/059281
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Fabian Hoffmeister
Thomas Stein
Gregor Sauer
Patrick Engl
Josef Plager
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Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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Priority to US16/617,030 priority patent/US11146221B2/en
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    • H03F2200/03—Indexing scheme relating to amplifiers the amplifier being designed for audio applications
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    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/468—Indexing scheme relating to amplifiers the temperature being sensed

Definitions

  • SOA Safe Operating Area
  • EP 0 135 870 A1 discloses a method for overload protection of electrical power consumers in which the consumer current and temperature of the coolant acting on the power consumer are measured periodically and the values of current and temperature measured after each period are supplied to a circuit arrangement in which they emulate a Temperature can be processed according to the algorithm of a thermal system and the simulated temperature with a predetermined
  • Limit temperature is compared, above which a switch is actuated to interrupt the load current.
  • the power consumer is assigned at least one thermal system, each with at least two system bodies.
  • the losses of the system body of the thermal system are determined periodically. From the thus determined losses, the periodically assigned value of the coolant temperature and the heat capacities and Thermal conductivity of the system body of the thermal system is the
  • the method serves to protect a component.
  • the component is inside an audio device.
  • the component is protected against an internal temperature within the component exceeding a maximum internal temperature or a maximum value.
  • the internal temperature is not accessible to a particularly direct measurement, since it is e.g. is a junction temperature within a semiconductor as a component.
  • the power loss of the component is determined. Furthermore, a measurement temperature is measured on the component. "At the component” means at a metrologically accessible location of the component or in its environment, which is thermally coupled to the internal temperature, from which can therefore be concluded that the internal temperature. A measuring location is in particular an electrical connection of the component, a heat sink, with which the component is thermally coupled, a housing portion of the
  • Measurement temperature at the component and the internal temperature within the component The temperature difference is determined by means of a thermal model of the component.
  • the internal temperature is then determined as the sum of the measuring temperature and the temperature difference.
  • a permissible maximum value for the power loss is determined. As is known, that is to say in accordance with the known component data or the component behavior, the maximum permissible or desired internal temperature is reached at this maximum value of the power loss (the
  • Component may still be operated without risk of destruction.
  • the output power is reduced in such a way that the (temperature-dependent) maximum value of the power loss is never exceeded.
  • the component is then operated in a normal mode, if the power loss does not exceed the maximum value.
  • the power loss does not exceed the maximum value.
  • the maximum allowable power dissipation depends on the internal junction temperature.
  • junction temperature can thus be determined at any time the maximum allowable power loss of the component to be protected. With the method presented here is in the case of imminent overload to
  • the protective component the audio signal, in particular the output signal of the audio device, and thus the output power reduced so that the maximum allowable power loss of the component is not exceeded.
  • the power loss is thus limited only in the event that it exceeds the maximum permissible value, resulting in an increase in the internal temperature above the maximum value of the
  • the component data are known in particular from, for example, a data sheet of the component.
  • the "maximum value" of the power loss may be the physically permissible value, beyond which an immediate destruction of the component threatens. The maximum value may also be a lower desired maximum value, if the maximum physically permissible
  • Internal temperature in the component should not be fully exploited, but e.g. should be only 80, 90 or 95% of this temperature or, for example, 10, 15 or 20 degrees below this temperature is to be maintained. Thus, a certain safety margin remains to protect the component from destruction.
  • an audio device in the form of an amplifier provides e.g. full output power (normal operation) for example .4min, then the maximum
  • the power loss is determined by the fact that the output power of the component is determined and the power loss is determined based on the output power and the known component data.
  • the output power is usually easier to determine than the Power loss, for example based on output voltage and / or
  • the component data used for this purpose are, for example, component properties or
  • an input power or another variable can be determined from which, based on the known component data, the (internal) power loss of the component can be deduced.
  • the power loss is also determined based on the internal temperature and / or the measurement temperature. Both temperatures can have an influence on the power loss in the component. A consideration of the corresponding temperatures thus leads to a more accurate determination of the power loss and thus a more accurate
  • At least one thermal time constant is used in the thermal model.
  • the time constant describes a dynamic thermal behavior of a thermal path. The thermal distance exists between the location of the internal temperature (where it occurs or is present) and the measuring location of the measuring temperature (at which the
  • Measuring temperature is measured).
  • a thermal model can be particularly safe and reliable from the measuring temperature on the
  • a maximum value for an admissible output power of the component is determined from the maximum value for the permissible power loss. This is done according to above on the basis of the component data.
  • the component In reduced-power economy mode, the component is operated so that the output power is limited to the corresponding maximum value (for the output power).
  • the output power of the component is usually better or directly or directly controllable than the power loss.
  • the output power at the component is determined by a current and / or a voltage across the component. This stream and this Voltage can be influenced or controlled in a simple manner, for example. Thus, the method is particularly easy to carry out.
  • the power loss is limited to the maximum value in the economy mode with the aid of an audio limit.
  • the audio limiter is arranged in an audio path upstream of the component. An audio signal is fed to the audio path and (at least a partial signal) is fed to the component as an input signal.
  • the limitation is made in which the audio signal as an input signal compared to its course in
  • audio limiters are easy to implement or available on the market.
  • the use of the audio limiters makes the process particularly easy to carry out.
  • Audio signal is limited, in particular its "volume” or
  • the component e.g. a power amplifier
  • the component e.g. a power amplifier
  • Claim 7 discloses. This contains an audio device. Within the
  • Audio device is a component included.
  • the component is - as explained above - to protect against exceeding a maximum internal temperature within the component.
  • the audio device contains a protection module.
  • the protection module is used to carry out the method according to the invention or is configured for this purpose.
  • Audio device is thus assigned a protection module to protect the component according to the above-described method.
  • a protection module to protect the component according to the above-described method.
  • Audio device a modified by the protection module audio device.
  • Protection modules is set up to perform the following procedure:
  • the audio device and / or the
  • Audio device an audio amplifier for amplifying the above-mentioned audio signal.
  • the audio amplifier is in particular an output stage.
  • Audio amplifiers are usually more prone to destruction
  • the component contains a semiconductor device to be protected or is a semiconductor device to be protected.
  • the internal temperature is then a junction temperature in the semiconductor device.
  • semiconductor devices are particularly temperature sensitive with respect to their barrier layer.
  • protection module they are particularly effectively protected against destruction.
  • the component may also contain or be: a
  • Capacitor an inductor, a relay, a resistor, a motor.
  • the component can also be an assembly of several individual components. The individual components are then e.g. again the mentioned semiconductors,
  • Capacitors, inductors, etc. These components can be particularly sensitive to loss or temperature and are particularly effectively protected by the present method or protection module.
  • the protection module includes a
  • the audio limiter is in one
  • Audio path arranged upstream of the audio device.
  • An audio signal is fed to the audio path and fed to the audio device and thus also to the component as an input signal.
  • the audio limiter is designed to limit the audio input signal to the audio device in economy mode.
  • the audio limiters is thus arranged in the audio path also upstream of the component, resulting in the above advantages.
  • the invention is based on the following findings, observations or
  • inventions are also called simplifying the "invention".
  • embodiments may also contain or correspond to parts or combinations of the abovementioned embodiments and / or optionally also include previously not mentioned embodiments.
  • the invention is based on the following considerations: Ensuring the operation of a component within the SOA can be done in different ways: e.g. For example, in a device, in a part of the semiconductors used (as components), the design itself ensures operation within the SOA, and a user has little or no influence on the stress of the semiconductor. Especially in power electronics, however, there is often the case that, depending on the mode of operation, the load on individual semiconductors varies greatly. If the user has a major impact on the stress on these individual components, special precautions must be taken to protect these components. Designing the components for the worst possible case (e.g., user short circuit) often equates to over-sizing for normal operation. Emergency shutdown of the device can protect the components in most cases, but is usually not preferable from a user perspective.
  • a basic idea of the invention is therefore to recognize an imminent overload and with a reduction in the output power (or the
  • Component temperature to be very high.
  • component semiconductor
  • a considerable reserve must be planned in order to be able to protect these dynamic loads.
  • the invention is based on the finding that the power loss of a
  • Component e.g. of a component, determined by internal properties of the component and by external operating conditions such as voltage and current across the component.
  • the component or component properties are known. They should be completely in the datasheet. Are the external operating conditions of the component known, the
  • the operating voltage may be known and constant, and the current is variable but is measured. If the power loss of the component or component to be protected is known, the current temperature in the component, e.g. in the
  • Model replicates the distance between the component or semiconductor interior and the measuring location of the temperature measurement (for example temperature sensor), then the calculated heating can be added to the measured temperature. In this way one obtains the internal temperature of the component, e.g.
  • the method thus essentially contains 5 vertices:
  • Output power is derived directly from the destruction mechanism, namely the overheating inside the component or the semiconductor, the uncertainty reserve over conventional or the above-mentioned methods can be drastically reduced. From the customer's point of view, the device thus has more output power.
  • the invention can be applied to electronic components of all kinds.
  • capacitors, inductors, relays, resistors, motors or possibly entire assemblies can be protected from overload, while the maximum power can be provided for the application.
  • FIG. 1 shows an audio device according to the invention
  • Figure 2 is a diagram for explaining the method according to the invention.
  • Figure 1 shows an audio device 2. This contains an audio device 4. Within, that is, in its interior, the audio device 4 includes a component 6. The component 6 has within, ie in its interior, an internal temperature Tl, not a direct measurement is accessible. The component 6 is to protect against exceeding a maximum internal temperature, that is the
  • Audio device 2 also includes a protection module 8. This is for
  • the audio device 4 is an audio amplifier.
  • the audio device 2 is therefore an amplifier device.
  • the audio device 4 is an output stage.
  • the component 6 is a semiconductor device to be protected.
  • the internal temperature Tl is one
  • the protection module 8 includes an audio limiter 10.
  • the audio limiter 10 is located in an audio path 12 upstream of the audio path
  • the audio magnifier 10 is configured to provide an audio signal A to the audio device 4 along the audio path 12 as
  • Input signal is supplied to limit in a Saving operation S, which is indicated by a downward arrow.
  • the audio signal A is thus guided on the audio path 12.
  • the protection module 8 performs the following
  • the method serves to protect the component 6 within the audio device 4 before exceeding a maximum internal temperature Tl.
  • Figure 1 is symbolically represented by a circle. Furthermore, a measuring temperature TM is measured at or outside the component 6 at a measuring location 13, here at a heat sink not thermally coupled to the component 6, not shown. Based on the power loss V is using a thermal model 14 of the component 6, which in the protection module
  • the temperature difference DT describes the difference of the internal temperature Tl minus the measurement temperature TM.
  • an allowable maximum value VM for the power loss V is determined.
  • Power loss V equal to the maximum value VM would reach a maximum allowed or desired internal temperature Tlmax. In the present case threatens an overload, which is why the audio signal 4 and thus the maximum
  • Output power LA is reduced compared to the normal operation N, whereby the internal temperature Tl although its maximum value Tlmax reached, but this does not exceed.
  • Audiolimiter 10 always supplied.
  • Power loss VM of component 6 and from this the maximum permissible (value MA) output power LA is determined. From this value MA the audio linearizer 10 is given a limiting value. Thus, if the expected power loss V by the audio signal A before the limiter 10 below the maximum allowable power loss VM, so no reduction is sought.
  • the component 6 is then operated again in a normal mode N (indicated by dashed lines in FIG. 1). In the example, the audio signal A is then supplied indefinitely on the audio path 12 to the audio device 4 and thus to the component 6.
  • the power loss V is determined in the process by a
  • Output power LA of the component 6 is determined and the power loss V is determined based on the output power LA and the known component data 16.
  • the output power LA is the power of the audio signal A amplified by the component 6.
  • the currently determined internal temperature Tl (after it has been determined for the first time or estimated for the first time, eg equal to the measurement temperature TM) is also included.
  • a maximum value MA for the permissible output power LA of the component 6 is determined on the basis of the component data 16.
  • the component 6 is operated such that the output power LA is limited to the maximum value MA or is limited.
  • the limitation of the loss V or the output power LA in the economy mode S thus takes place through the limitation of the audio signal A by means of the audio limiters 10.
  • the power loss V is also limited by the limitation of the output power LA, which is determined by the internal structure or properties of the Component 6 is related to this.
  • In normal mode N there is no limitation by the audio magniter 10.
  • the audio signal A can therefore pass through this unchanged, so that the audio device is regular, ie. operated without restrictions.
  • FIG. 2 specifically illustrates the invention using the example of semiconductor protection (protection of component 6 in the form of a semiconductor) in audio device 4 in the form of an audio power amplifier according to FIG. 1:
  • Component data 16 is dependent on output current lout and
  • Output voltage Uout the power loss V determined. Output voltage Uout and output current lout are explained in detail
  • Loss loss R summed up.
  • the determined (for the first time as explained above estimated) component temperature in the form of the internal temperature Tl is included, since this is included in the power loss V, which is generated by the output current lout.
  • the internal temperature Tl is multiplied by an unspecified function f (l) of the output current lout and also added up.
  • Heating calculated in the form of the temperature difference DT Heating calculated in the form of the temperature difference DT.
  • three time constants ptl-3 (with downstream unspecified
  • Thermal Resistors Rl-3 is used to determine the dynamic thermal behavior of a thermal path 18, i. the distance from a barrier layer in the component 6 (location of the internal temperature Tl) to a temperature sensor, not shown (location 13 measuring the measurement temperature TM) to describe.
  • the distance 18 with three time constants ptl-3 can be described with sufficient accuracy.
  • more or less than three time constants pt can be used to describe the dynamic thermal behavior of the link 18.
  • 3 thermal time constants ptl-3 and three thermal resistances Rl-3 are used, which describe a dynamic, thermal behavior of the thermal path 18 which lies between the location of the internal temperature Tl and the location of the measurement temperature TM (measuring location 13 ).
  • heating temperature difference DT
  • ambient temperature measuring temperature TM
  • Output variables (output current lout and voltage Uout) has an effect on the power loss V in the component (component 6), can also be calculated by an allowable power loss VM of the component to the maximum allowable output variables (maximum values for Uout, lout).
  • the output power LA of the amplifier (audio device 4) is limited so that the maximum allowable power loss VM im

Abstract

Bei einem Verfahren zum Schutz einer Komponente (6) innerhalb eines Audiogerätes (4) vor dem Überschreiten einer maximalen Interntemperatur (Tl), wird eine Verlustleistung (V) der Komponente (6) ermittelt, wird eine Messtemperatur (TM) an der Komponente (6) gemessen, wird ausgehend von der Verlustleistung (V) mit Hilfe eines thermischen Modells (14) der Komponente (6) eine Temperaturdifferenz (DT) für die Komponente (6) zwischen der Messtemperatur (TM) an der Komponente und der Interntemperatur (Tl) ermittelt wird, wird die Interntemperatur (Tl) als Summe der Messtemperatur (TM) und der Temperaturdifferenz (DT) ermittelt, wird anhand der Interntemperatur (TM) und bekannter Komponentendaten (16) der Komponente (6) ein zulässiger Maximalwert (VM) für die Verlustleistung (V) ermittelt, und wird die Komponente (6) in einem Normalbetrieb (N) betrieben, wenn die Verlustleistung (V) den Maximalwert (VM) nicht übersteigt oder wird die Komponente (6) ansonsten in einem leistungsreduzierten Sparbetrieb (S) betrieben, so dass die Verlustleistung (V) auf den Maximalwert (VM) begrenzt wird. Eine Audioeinrichtung (2), mit einem Audiogerät (4), das innerhalb eine Komponente (6) enthält, die vor dem Überschreiten einer maximalen Interntemperatur (Tl) zu schützen ist, enthält ein Schutzmodul (8) zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Beschreibung Titel Verfahren zum Übertemperaturschutz und Audioeinrichtung
Stand der Technik
Um in elektronischen Geräten und Schaltungen, z.B. in Audiogeräten, die Zuverlässigkeit gewährleisten zu können, müssen alle verwendeten
Komponenten innerhalb des Audiogerätes, z.B. Halbleiter, innerhalb des so genannten sicheren Betriebsbereiches (SOA, Safe Operating Area) betrieben werden. Im Wesentlichen beschreibt die SOA die Menge an Verlustleistung, die der Komponente, z.B. dem Bauteil, zugemutet werden kann, ohne dass diese beschädigt wird. Außerhalb dieses Bereiches wird die Komponente, z.B. der
Halbleiter, überlastet, was zu deren Zerstörung führen würde.
Aus der EP 0 135 870 AI ist ein Verfahren zur Überlastsicherung elektrischer Leistungsverbraucher bekannt, bei dem Verbraucherstrom und Temperatur des am Leistungsverbraucher wirkenden Kühlmittels periodisch gemessen und die nach jeder Periode gemessenen Werte von Strom und Temperatur einer Schaltungsanordnung zugeführt werden, in der sie zur Nachbildung einer Temperatur nach dem Algorithmus eines thermischen Systems verarbeitet werden und die nachgebildete Temperatur mit einer vorgegebenen
Grenztemperatur verglichen wird, oberhalb derer ein Schalter zur Unterbrechung des Verbraucherstroms betätigt wird. Dem Leistungsverbraucher ist mindestens ein thermisches System mit jeweils mindestens zwei Systemkörpern zugeordnet. Die Verluste der Systemkörper des thermischen Systems werden periodisch ermittelt. Aus den derart ermittelten Verlusten, dem periodisch zugeordneten Wert der Kühlmitteltemperatur sowie den Wärmekapazitäten und Wärmeleitwerten der Systemkörper des thermischen Systems wird die
Temperatur jedes Systemkörpers des thermischen Systems ermittelt und die derart ermittelte Temperatur jedes zu schützenden Systemkörpers des thermischen Systems wird fortlaufend mit der diesem Systemkörper
zugeordneten Grenztemperatur verglichen.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 offenbart. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Das Verfahren dient zum Schutz einer Komponente. Die Komponente befindet sich innerhalb eines Audiogerätes. Die Komponente wird davor geschützt, dass eine Interntemperatur innerhalb der Komponente eine maximale Interntemperatur bzw. einen Maximalwert überschreitet. Die Interntemperatur ist dabei einer insbesondere direkten Messung nicht zugänglich, da es sich z.B. um eine Sperrschichttemperatur innerhalb eines Halbleiters als Komponente handelt.
Bei dem Verfahren wird die Verlustleistung der Komponente ermittelt. Weiterhin wird eine Messtemperatur an der Komponente gemessen. "An der Komponente" bedeutet an einem messtechnisch zugänglichen Messort der Komponente oder in deren Umgebung, der thermisch mit der Interntemperatur gekoppelt ist, aus dem sich also auf die Interntemperatur schließen lässt. Ein Messort ist insbesondere ein elektrischer Anschluss der Komponente, ein Kühlkörper, mit dem die Komponente thermisch gekoppelt ist, ein Gehäuseabschnitt der
Komponente usw.
Ausgehend von der Verlustleistung wird eine Temperaturdifferenz für die
Komponente ermittelt. Die Temperaturdifferenz besteht zwischen der
Messtemperatur an der Komponente und der Interntemperatur innerhalb der Komponente. Die Temperaturdifferenz wird mit Hilfe eines thermischen Modells der Komponente ermittelt. Die Interntemperatur wird dann als Summe der Messtemperatur und der Temperaturdifferenz ermittelt. Anhand der Interntemperatur und anhand bekannter Komponentendaten der Komponente wird ein zulässiger Maximalwert für die Verlustleistung ermittelt. Bei diesem Maximalwert der Verlustleistung wird bekanntermaßen, das heißt gemäß der bekannten Komponentendaten bzw. des Komponentenverhaltens, die maximal zulässige bzw. gewünschte Interntemperatur erreicht (die
Interntemperatur erreicht ihren Maximalwert), bei der insbesondere die
Komponente noch ohne Zerstörungsgefahr betrieben werden darf.
Gemäß dem Verfahren wird insbesondere die Ausgangsleistung derart reduziert, so dass der (temperaturabhängige) Maximalwert der Verlustleistung nie überschritten wird.
Insbesondere wird die Komponente dann in einem Normalbetrieb betrieben, wenn die Verlustleistung den Maximalwert nicht übersteigt. Alternativ, das heißt wenn die Verlustleistung den Maximalwert übersteigen würde, wird die
Komponente in einem leistungsreduzierten Sparbetrieb betrieben. Der
Sparbetrieb erfolgt derart leistungsreduziert, dass die Verlustleistung auf den Maximalwert begrenzt wird.
Insbesondere bei einem Halbleiter ist die maximal zulässige Verlustleistung abhängig von der internen Sperrschichttemperatur. Mit der ermittelten
Sperrschichttemperatur kann somit zu jedem Zeitpunkt die maximal zulässige Verlustleistung der zu schützenden Komponente ermittelt werden. Mit dem hier vorgestellten Verfahren wird bei einer drohenden Überlastung der zu
schützenden Komponente das Audiosignal, insbesondere das Ausgangssignal des Audiogerätes, und damit die Ausgangsleistung derart reduziert, dass die maximal zulässige Verlustleistung der Komponente nicht überschritten wird.
Bei der ermittelten maximalen Verlustleistung wird also die maximale
Interntemperatur innerhalb der Komponente gerade eben erreicht, jedoch nicht überschritten. Gemäß dem Verfahren wird die Verlustleistung also nur für den Fall begrenzt, dass diese den zulässigen Maximalwert übersteigt, was zu einer Erhöhung der Interntemperatur über den maximal zulässigen Wert der
Interntemperatur führen würde. Insbesondere wird im Sparbetrieb also die Leistung an der Komponente gegenüber einem regulären Normalbetrieb gesenkt, wodurch auch deren Verlustleistung sinkt. Wird der Maximalwert nicht
überschritten, wird die Komponente ohne Einschränkung betrieben. Die Komponentendaten sind insbesondere aus zum Beispiel einem Datenblatt der Komponente bekannt. Der„Maximalwert" der Verlustleistung kann der physikalisch zulässige Wert sein, bei dessen Überschreiten eine unmittelbare Zerstörung des Bauteils droht. Der Maximalwert kann aber auch ein niedrigerer gewünschter Maximalwert sein, wenn die maximal physikalisch zulässige
Interntemperatur in der Komponente nicht voll ausgeschöpft werden soll, sondern z.B. nur zu 80, 90 oder 95 % dieser Temperatur betragen soll oder zum Beispiel 10, 15 oder 20 Grad unterhalb dieser Temperatur gehalten werden soll. Somit verbleibt eine gewisse Sicherheitsreserve, um die Komponente vor Zerstörung zu schützen.
Gemäß dem Verfahren erfolgt also weiterhin ein wenn auch eingeschränkter (Spar-) Betrieb der Komponente und damit des Audiogerätes, auch wenn die Interntemperatur bei einem regulären Normalbetrieb ihren Maximalwert erreicht oder sich diesem nähert, es erfolgt lediglich eine Leistungsbegrenzung der Verlustleistung in der Komponente und damit zum Beispiel auch einer
Ausgangsleistung der Komponente bzw. des Audiogerätes. Das Audiogerät bleibt aber weiterhin im Betrieb und muss nicht vollständig abgeschaltet werden.
Gemäß der Erfindung liefert ein Audiogerät in Form eines Verstärkers z.B. volle Ausgangsleistung (Normalbetrieb) für z.B.4min, dann wird die maximale
Ausgangsleistung begrenzt (Sparbetrieb). Dabei ist z.B. eine Reduzierung um 3dB wahrnehmbar, aber nicht überdeutlich, wobei dies eine Halbierung der Ausgangsleistung bedeutet, wodurch die Leistungselektronik deutlich entlastet wird. Es wird also die Grundfunktion aufrechterhalten im Gegensatz zu einer Abschaltung.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Verlustleistung dadurch ermittelt, dass die Ausgangsleistung der Komponente ermittelt wird und die Verlustleistung anhand der Ausgangsleistung und der bekannten Komponentendaten ermittelt wird. Die Ausgangsleistung ist in der Regel einfacher bestimmbar als die Verlustleistung, zum Beispiel anhand von Ausgangsspannung und/oder
Ausgangsstrom einer Komponente. Die Komponentendaten, die hierzu herangezogen werden, sind zum Beispiel Bauteileigenschaften oder
Betriebsspannungen an der Komponente. So lässt sich die Verlustleistung indirekt, aber aufgrund der Verknüpfung mit den Komponentendaten ermitteln.
Alternativ kann auch eine Eingangsleistung oder eine sonstige Größe ermittelt werden, aus der aufgrund der bekannten Komponentendaten auf die (interne) Verlustleistung der Komponente geschlossen werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Verlustleistung auch anhand der Interntemperatur und/oder der Messtemperatur ermittelt. Beide Temperaturen können einen Einfluss auf die Verlustleistung in der Komponente haben. Eine Berücksichtigung der entsprechenden Temperaturen führt somit zu einer genaueren Ermittlung der Verlustleistung und damit einer genaueren
Abstimmung des Normal- und Sparbetriebes auf die anhand des Maximalwertes vorgegebenen Leistungsgrenze für die Verlustleistung.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird im thermischen Modell mindestens eine thermische Zeitkonstante verwendet. Die Zeitkonstante beschreibt ein dynamisches thermisches Verhalten einer thermischen Strecke. Die thermische Strecke besteht zwischen dem Ort der Interntemperatur (wo diese auftritt bzw. vorhanden ist) und dem Messort der Messtemperatur (an dem die
Messtemperatur gemessen wird). Durch ein derartiges thermisches Modell kann besonders sicher und zuverlässig von der Messtemperatur auf die
Interntemperatur geschlossen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird aus dem Maximalwert für die zulässige Verlustleistung ein Maximalwert für eine zulässige Ausgangsleistung der Komponente ermittelt. Dies erfolgt entsprechend zu oben anhand der Komponentendaten. Im leistungsreduzierten Sparbetrieb wird die Komponente so betrieben, dass die Ausgangsleistung auf den zugehörigen Maximalwert (für die Ausgangsleistung) begrenzt wird. Die Ausgangsleistung der Komponente ist in der Regel besser oder direkt bzw. unmittelbar steuerbar als die Verlustleistung. Beispielsweise wird die Ausgangsleistung an der Komponente durch einen Strom und/oder eine Spannung an der Komponente bestimmt. Dieser Strom und diese Spannung können z.B. in einfacher Weise beeinflusst bzw. gesteuert werden. So ist das Verfahren besonders einfach durchführbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird im Sparbetrieb die Verlustleistung mit Hilfe eines Audiolimiters auf den Maximalwert begrenzt. Der Audiolimiter ist hierbei in einem Audiopfad stromaufwärts der Komponente angeordnet. Auf dem Audiopfad wird ein Audiosignal geführt und (zumindest ein Teilsignal dessen) wird der Komponente als Eingangssignal zugeführt. Die Begrenzung erfolgt, in dem das Audiosignal als Eingangssignal gegenüber seinem Verlauf im
Normalbetrieb begrenzt wird. Audiolimiter sind insbesondere einfach zu realisieren bzw. auf dem Markt verfügbar. Durch den Einsatz des Audiolimiters kann das Verfahren besonders einfach durchgeführt werden. Indem das
Audiosignal begrenzt wird, wird insbesondere dessen "Lautstärke" bzw.
Amplitude abgesenkt, die Komponente, z.B. ein Endstufenverstärker, benötigt dann weniger Leistung zu dessen Bearbeitung und erzeugt damit auch weniger
Verlustleistung.
Im Rahmen der Erfindung wird auch eine Audioeinrichtung gemäß
Patentanspruch 7 offenbart. Diese enthält ein Audiogerät. Innerhalb des
Audiogerätes ist eine Komponente enthalten. Die Komponente ist - wie oben erläutert - vor dem Überschreiten einer maximalen Interntemperatur innerhalb der Komponente zu schützen. Die Audioeinrichtung enthält ein Schutzmodul. Das Schutzmodul dient zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. ist hierzu eingerichtet. Die Audioeinrichtung und zumindest ein Teil deren Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im
Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert. Dem
Audiogerät ist also ein Schutzmodul zugeordnet, um die Komponente gemäß dem oben erläuterten Verfahren zu schützen. Mit anderen Worten ist die
Audioeinrichtung ein um das Schutzmodul modifiziertes Audiogerät. Das
Schutzmodule ist zur Ausführung des folgenden Verfahrens eingerichtet:
- Ermittlung einer Verlustleistung der Komponente,
- Messung einer Messtemperatur an der Komponente,
- Ermittlung einer Interntemperatur mit Hilfe eines thermischen Modells der Komponente ausgehend von der ermittelten Verlustleistung und der gemessenen Messtemperatur, - Ermittlung eines zulässiger Maximalwert für die Verlustleistung anhand der Interntemperatur und bekannter Komponentendaten der Komponente,
- Begrenzung eines Audiosignal derart, so dass die Verlustleistung einen Maximalwert nicht übersteigt und/oder die maximale Interntemperatur nicht überschritten wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Audiogerät und/oder die
Audioeinrichtung ein Audioverstärker zur Verstärkung des oben genannten Audiosignals. Der Audioverstärker ist insbesondere eine Endstufe.
Audioverstärker sind in der Regel besonders anfällig für Zerstörung enthaltener
Komponenten durch interne Übertemperaturen. Durch das vorliegende Verfahren bzw. das Schutzmodul sind diese besonders effektiv geschützt.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Komponente ein zu schützendes Halbleiterbauteil oder ist ein zu schützendes Halbleiterbauteil. Die Interntemperatur ist dann eine Sperrschichttemperatur im Halbleiterbauteil.
Insbesondere Halbleiterbauteile sind bezüglich deren Sperrschicht besonders temperaturempfindlich. Durch das vorliegende Verfahren bzw. Schutzmodul werden diese besonders effektiv vor Zerstörung geschützt.
Alternativ kann die Komponente jedoch auch enthalten oder sein: ein
Kondensator, eine Induktivität, ein Relais, ein Widerstand, ein Motor. Die Komponente kann aber auch eine Baugruppe aus mehreren Einzelbauteilen sein. Die Einzelbauteile sind dann z.B. wieder die genannten Halbleiter,
Kondensatoren, Induktivitäten usw. Auch diese Komponenten können besonders verlustleistungs- bzw. temperaturempfindlich sein und sind durch das vorliegende Verfahren bzw. Schutzmodul besonders effektiv geschützt.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Schutzmodul einen
Audiolimiter, wie er oben beschrieben wurde. Der Audiolimiter ist in einem
Audiopfad stromaufwärts des Audiogerätes angeordnet. Auf dem Audiopfad wird ein Audiosignal geführt und dem Audiogerät und somit auch der Komponente als Eingangssignal zugeführt. Der Audiolimiter ist dazu eingerichtet, das Audio- Eingangssignal in das Audiogerät im Sparbetrieb zu begrenzen. Der Audiolimiter ist somit im Audiopfad auch stromaufwärts der Komponente angeordnet, wodurch sich die oben genannten Vorteile ergeben.
Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen, Beobachtungen bzw.
Überlegungen und weist noch die nachfolgenden Ausführungsformen auf. Die Ausführungsformen werden dabei teils vereinfachend auch "die Erfindung" genannt. Die Ausführungsformen können hierbei auch Teile oder Kombinationen der oben genannten Ausführungsformen enthalten oder diesen entsprechen und/oder gegebenenfalls auch bisher nicht erwähnte Ausführungsformen einschließen.
Die Erfindung gründet sich auf folgende Überlegungen: Das Sicherstellen des Betriebs einer Komponente innerhalb der SOA kann auf unterschiedliche Weise erfolgen: Z.B. wird in einem Gerät bei einem Teil der verwendeten Halbleiter (als Komponenten) durch das Design selbst das Betreiben innerhalb der SOA sichergestellt, und ein Anwender hat auf die Beanspruchung des Halbleiters keinen oder kaum Einfluss. Gerade in der Leistungselektronik gibt es aber oft den Fall, dass je nach Betriebsart die Belastung einzelner Halbleiter stark variiert. Wenn der Nutzer einen großen Einfluss auf die Beanspruchung dieser einzelnen Komponenten hat, so müssen spezielle Vorkehrungen getroffen werden, um diese Komponenten zu schützen. Eine Auslegung der Komponenten auf den schlimmsten möglichen Fall (z.B. Kurzschluss durch den Anwender) kommt hierbei oft einer völligen Überdimensionierung für den Normalbetrieb gleich. Eine Notabschaltung des Geräts kann zwar in den meisten Fällen die Komponenten schützen, ist aber aus Anwendersicht meist nicht zu bevorzugen.
Eine Grundidee der Erfindung ist es daher, eine drohende Überlastung zu erkennen und mit einer Reduzierung der Ausgangsleistung (bzw. der
Verlustleistung) zu reagieren um damit die Temperaturerhöhung zu begrenzen. Eine Idee ist es, die Erkennung einer drohenden Überlastung durch Messung von Ausgangsspannung und Ausgangsstrom der Komponente und/oder mit einem Temperatursensor zu realisieren, welcher an einem Messort in der Nähe der zu schützenden Komponente bzw. des zu schützenden Bauteils platziert wird, z.B. auf demselben Kühlkörper. Es wird also nicht die Temperatur der Komponente (Halbleiter) selbst gemessen, sondern eine Temperatur, die mit der Komponententemperatur (Halbleitertemperatur) möglichst gut thermisch gekoppelt ist. Bei einer statischen Belastung ist der Temperaturunterschied dabei meist recht gering. Tritt jedoch schlagartig eine starke Belastung (bzw. eine potenzielle Überbelastung) auf, so verstreicht eine gewisse Zeit, bis der Messort (z.B. Kühlkörper) erwärmt wird. In dieser Zeit kann die Temperaturdifferenz zwischen der gemessenen Temperatur und der tatsächlichen
Komponententemperatur (Halbleitertemperatur) sehr hoch sein. Um also ausschließlich anhand der gemessenen Temperatur die Komponente (Halbleiter) sicher vor Zerstörung schützen zu können, muss eine beachtliche Reserve eingeplant werden um diese dynamischen Belastungen absichern zu können.
Das heißt auf der anderen Seite aber auch, dass die statische Maximalleistung deutlich unterhalb der möglichen Ausgangsleistung liegt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Verlustleistung einer
Komponente, z.B. eines Bauteils, durch interne Eigenschaften der Komponente sowie durch äußere Betriebsbedingungen wie Spannung und Strom an der Komponente bestimmt ist. Die Komponenten- bzw. Bauteileigenschaften sind bekannt. Sie sollten vollständig im Datenblatt angegeben sein. Sind auch die äußeren Betriebsbedingungen der Komponente bekannt, so kann die
momentane Verlustleistung der Komponente, z.B. des Halbleiters, berechnet werden. Zum Beispiel kann die Betriebsspannung bekannt und konstant sein, und der Strom ist variabel, wird aber gemessen. Wenn die Verlustleistung der zu schützenden Komponente bzw. des Bauteils bekannt ist, so kann mit Hilfe eines thermischen Modells die aktuelle Temperatur in der Komponente, z.B. im
Halbleiter, berechnet werden. Wird mit dem thermischen Modell (z.B. Foster-
Modell) die Strecke zwischen Komponenten- bzw. Halbleiterinnerem und dem Messort der Temperaturmessung (z.B. Temperatursensor) nachgebildet, so kann die errechnete Erwärmung zu der gemessenen Temperatur addiert werden. Auf diese Weise erhält man die Interntemperatur der Komponente, z.B.
Sperrschichttemperatur, der zu schützenden Komponente bzw. des Bauteils. Die
Ausgangsleistung kann nun aufgrund der relativ genauen Kenntnis der Internbzw. Sperrschichttemperatur innerhalb der Komponente bzw. des Halbleiters reduziert werden. Zusätzlich kann die Information der Interntemperatur bzw. Sperrschichttemperatur in die Verlustleistungsermittlung mit einbezogen werden, soweit diese relevant ist (z.B. RDSON bei einem MOSFET). Somit lassen sich mit den gleichen Komponenten höhere Ausgangsleistungen realisieren bei voller Betriebssicherheit. Andersrum betrachtet können für die gleiche
Ausgangsleistung mit diesem Verfahren günstigere Komponenten verwendet werden.
Insbesondere beinhaltet das Verfahren im Wesentlichen somit 5 Eckpunkte:
1. Ermittlung der Verlustleistung der zu schützenden Komponente bzw. des Bauteils,
2. Ermittlung der Temperaturerhöhung mit Hilfe der errechneten Verlustleistung und eines thermischen Modells,
3. Temperaturmessung,
4. Ermittlung der maximal zulässigen Verlust- bzw. Ausgangsleistung,
5. (Gegebenenfalls) Reduzierung der Verlust- bzw. Ausgangsleistung.
Da mit dem genannten Verfahren die maximal zulässige Verlust- bzw.
Ausgangsleistung direkt vom Zerstörungsmechanismus, nämlich der Überhitzung im Inneren der Komponente bzw. des Halbleiters, abgeleitet wird, kann die Unsicherheitsreserve gegenüber herkömmlichen bzw. den oben angeführten Verfahren drastisch reduziert werden. Aus Kundensicht verfügt das Gerät somit über mehr Ausgangsleistung.
Die Erfindung lässt sich auf elektronische Bauteile aller Art anwenden. Somit können Kondensatoren, Induktivitäten, Relais, Widerstände, Motoren oder ggf. auch ganze Baugruppen vor Überlastung geschützt werden, wobei gleichzeitig das Maximum an Leistung für die Anwendung bereitgestellt werden kann.
Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen in einer schematischen Prinzipskizze:
Figur 1 eine Audioeinrichtung gemäß der Erfindung,
Figur 2 ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Figur 1 zeigt eine Audioeinrichtung 2. Diese enthält ein Audiogerät 4. Innerhalb, das heißt in seinem Inneren, enthält das Audiogerät 4 eine Komponente 6. Die Komponente 6 weist innerhalb, d.h. in Ihrem Inneren, eine Interntemperatur Tl auf, die einer direkten Messung nicht zugänglich ist. Die Komponente 6 ist vor dem Überschreiten einer maximalen Interntemperatur zu schützen, das heißt die
Interntemperatur Tl soll einen Maximalwert nicht überschreiten. Die
Audioeinrichtung 2 enthält außerdem ein Schutzmodul 8. Dieses ist zur
Ausführung eines Schutzverfahrens eingerichtet. Das Schutzverfahren wird weiter unten erläutert.
Das Audiogerät 4 ist ein Audioverstärker. Die Audioeinrichtung 2 ist daher eine Verstärkereinrichtung. Das Audiogerät 4 ist eine Endstufe. Die Komponente 6 ist ein zu schützendes Halbleiterbauteil. Die Interntemperatur Tl ist eine
Sperrschichttemperatur im Halbleiterbauteil. Das Schutzmodul 8 enthält einen Audiolimiter 10. Der Audiolimiter 10 ist in einem Audiopfad 12 stromaufwärts des
Audiogerätes 4 angeordnet. Der Audiolimiter 10 ist dazu eingerichtet, ein Audiosignal A, das dem Audiogerät 4 entlang des Audiopfades 12 als
Eingangssignal zugeführt wird, in einem Sparbetrieb S zu begrenzen, was durch einen nach unten gerichteten Pfeil angedeutet ist. Das Audiosignal A wird also auf dem Audiopfad 12 geführt. Das Schutzmodul 8 führt folgendes
Schutzverfahren durch:
Das Verfahren dient zum Schutz der Komponente 6 innerhalb des Audiogerätes 4 vor dem Überschreiten einer maximalen Interntemperatur Tl. Bei dem
Verfahren wird eine Verlustleistung V der Komponente 6 ermittelt, welche in
Figur 1 durch einen Kreis symbolisch dargestellt ist. Weiterhin wird an bzw. außerhalb der Komponente 6 an einem Messort 13, hier an einem mit der Komponente 6 thermisch gekoppelten, nicht dargestellten Kühlkörper, eine Messtemperatur TM gemessen. Ausgehend von der Verlustleistung V wird mit Hilfe eines thermischen Modells 14 der Komponente 6, welches im Schutzmodul
8 hinterlegt ist, eine Temperaturdifferenz DT für die Komponente 6 ermittelt. Die Temperaturdifferenz DT beschreibt die Differenz der Interntemperatur Tl abzüglich der Messtemperatur TM. Die Interntemperatur Tl wird nun als Summe der Messtemperatur TM und der Temperaturdifferenz DT zu Tl = TM + DT ermittelt. Anhand der Interntemperatur Tl und bekannter Komponentendaten 16 der Komponente 6, welche ebenfalls im Schutzmodul 8 hinterlegt sind, wird ein zulässiger Maximalwert VM für die Verlustleistung V ermittelt. Bei einer
Verlustleistung V gleich dem Maximalwert VM würde eine maximal erlaubte bzw. gewünschte Interntemperatur Tlmax erreicht. Im vorliegenden Fall droht eine Überlastung, weshalb das Audiosignal 4 und damit die maximale
Ausgangsleistung LA reduziert wird gegenüber dem Normalbetrieb N, wodurch die Interntemperatur Tl zwar ihren Maximalwert Tlmax erreicht, diesen jedoch nicht übersteigt.
Im Falle der Begrenzung des Audiosignals A durch einen Audiolimiter 10 gibt es keine„harte" Unterscheidung zwischen Normalbetrieb N und Sparbetrieb S, weil die maximale Ausgangsleistung LA immer begrenzt wird. Nur der Wert MA der maximalen Ausgangsleistung LA wird stets anhand der aktuellen internen Bauteiltemperatur Tl neu ermittelt und somit der Begrenzungswert dem
Audiolimiter 10 stets zugeführt.
Die oben genannten Verfahrensschritte werden periodisch durchgeführt. So wird wie oben erläutert periodisch eine interne Sperrschichttemperatur Tl ermittelt. Mit Hilfe der Komponentendaten 16 wird periodisch die maximal zulässige
Verlustleistung VM der Komponente 6 und daraus die maximal zulässige (Wert MA) Ausgangsleistung LA ermittelt. Aus diesem Wert MA wird dem Audiolimiter 10 ein Begrenzungswert vorgegeben. Liegt also die erwartete Verlustleistung V durch das Audiosignal A vor dem Limiter 10 unter der maximal zulässigen Verlustleistung VM, so wird keinerlei Reduzierung angestrebt. Die Komponente 6 wird dann wieder in einem Normalbetrieb N betrieben (in Figur 1 gestrichelt angedeutet). Im Beispiel wird dann also das Audiosignal A unbegrenzt auf dem Audiopfad 12 dem Audiogerät 4 und damit der Komponente 6 zugeführt.
Die Verlustleistung V wird im Verfahren dadurch ermittelt, dass eine
Ausgangsleistung LA der Komponente 6 ermittelt wird und die Verlustleistung V anhand der Ausgangsleistung LA und der bekannten Komponentendaten 16 ermittelt wird. Im Beispiel ist die Ausgangsleistung LA die Leistung des von der Komponente 6 verstärkten Audiosignals A. In die Ermittlung der Verlustleistung V wird hierbei auch die derzeit ermittelte Interntemperatur Tl (nachdem diese das erste Mal ermittelt wurde oder beim ersten Mal z.B. geschätzt wurde, z.B. gleich der Messtemperatur TM) einbezogen.
Aus dem Maximalwert VM für die zulässige Verlustleistung V wird anhand der Komponentendaten 16 ein Maximalwert MA für die zulässige Ausgangsleistung LA der Komponente 6 ermittelt. Im leistungsreduzierten Sparbetrieb S wird die Komponente 6 so betrieben, dass die Ausgangsleistung LA auf den Maximalwert MA begrenzt ist bzw. begrenzt wird.
Die Begrenzung der Verlust- V bzw. der Ausgangsleistung LA im Sparbetrieb S erfolgt also durch die Begrenzung des Audiosignals A mit Hilfe des Audiolimiters 10. Auch durch die Begrenzung der Ausgangsleistung LA wird die Verlustleistung V begrenzt, die über die interne Struktur bzw. Eigenschaften der Komponente 6 mit dieser zusammenhängt. Im Normalbetrieb N erfolgt keine Begrenzung durch den Audiolimiter 10. Das Audiosignal A kann diesen also unverändert passieren, so dass das Audiogerät regulär, d.h. ohne Einschränkungen betrieben wird.
Figur 2 erläutert die Erfindung konkret am Beispiel des Halbleiterschutzes (Schutz der Komponente 6 in Form eines Halbleiters) im Audiogerät 4 in Form eines Audio -Leistungsverstärkers gemäß Figur 1:
1. Ermittlung der Verlustleistung
(angedeutet durch einen gestrichelten Rahmen)
Eine Ausgangsspannung Uout und ein Ausgangsstrom lout werden an der Komponente 6 gemessen. Zusammen mit statischen Parametern wie
Bauteileigenschaften und internen Betriebsspannungen in Form der
Komponentendaten 16 wird abhängig von Ausgangsstrom lout und
Ausgangsspannung Uout die Verlustleistung V ermittelt. Ausgangsspannung Uout und Ausgangsstrom lout werden dabei mit nicht näher erläuterten
Funktionen f(U) und f(l) modifiziert und die Ergebnisse mit einer
Ruheverlustleistung R aufsummiert. Zudem wird hierbei auch die ermittelte (beim ersten Mal wie oben erläutert z.B. geschätzte) Bauteiltemperatur in Form der Interntemperatur Tl miteinbezogen, da diese in die Verlustleistung V mit eingeht, die durch den Ausgangsstrom lout erzeugt wird. Dabei wird die Interntemperatur Tl mit einer nicht näher erläuterten Funktion f(l) des Ausgangsstromes lout multipliziert und ebenfalls aufsummiert. Somit erfolgt eine Rückführung der ermittelten Sperrschichttemperatur (Interntemperatur Tl) auf die
Verlustleistungsermittlung.
2. Thermisches Modell
Anhand der Verlustleistung V wird mit dem thermischen Modell 14 die
Erwärmung in Form der Temperaturdifferenz DT berechnet. In diesem Beispiel werden drei Zeitkonstanten ptl-3 (mit nachgeschalteten nicht näher erläuterten
Wärmewiderständen Rl-3) verwendet, um das dynamische thermische Verhalten einer thermischen Strecke 18, d.h. der Strecke von einer Sperrschicht in der Komponente 6 (Ort der Interntemperatur Tl) zu einem nicht dargestellten Temperatursensor (Messort 13 der Messung der Messtemperatur TM) zu beschreiben. In diesem Fall kann die Strecke 18 mit drei Zeitkonstanten ptl-3 ausreichend genau beschrieben werden. In anderen Fällen können auch mehr oder weniger als drei Zeitkonstanten pt genutzt werden, um das dynamische thermische Verhalten der Strecke 18 zu beschreiben. Im thermischen Modell 14 werden also 3 thermische Zeitkonstanten ptl-3 und drei thermische Widerstände Rl-3 verwendet, die ein dynamisches, thermisches Verhalten der thermischen Strecke 18 beschreiben, die sich zwischen dem Ort der Interntemperatur Tl und dem Ort der Messtemperatur TM (Messort 13) erstreckt.
3. Temperaturmessung
Zusammengerechnet ergeben Erwärmung (Temperaturdifferenz DT) und „Umgebungstemperatur" (Messtemperatur TM) die absolute
Sperrschichttemperatur (Interntemperatur Tl).
4. Ermittlung der maximal zulässigen Ausgangsleistung
(angedeutet durch einen gestrichelten Rahmen)
Aus dem Datenblatt der Komponente 6 (Komponentendaten 16) wird
entnommen, bei welcher Interntemperatur Tl wie viel Verlustleistung
(Maximalwert VM) dem Bauteil (Komponente 6) zugemutet werden darf. Da ja (aus den Komponentendaten 16) bekannt ist, wie der Einfluss der
Ausgangsgrößen (Ausgangsstrom lout und -Spannung Uout) sich auf die Verlustleistung V im Bauteil (Komponente 6) auswirkt, kann auch von einer zulässigen Verlustleistung VM des Bauteils auf die maximal zulässigen Ausgangsgrößen (Maximalwerte für Uout, lout) gerechnet werden.
5. Reduzierung der Ausgangsleistung
(angedeutet durch einen gestrichelten Rahmen)
Mit dem Audio-Limiter 10 wird die Ausgangsleistung LA des Verstärkers (Audiogerät 4) so begrenzt, dass die maximal zulässige Verlustleistung VM im
Halbleiter (Komponente 6) nicht überschritten wird. Hierzu wird ein nicht näher erläuterter Schwellwert an den Audiolimiter 10 übergeben.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Schutz einer Komponente (6) innerhalb eines
Audiogerätes (4) vor dem Überschreiten einer maximalen Interntemperatur (Tl), bei dem
- eine Verlustleistung (V) der Komponente (6) ermittelt wird,
- eine Messtemperatur (TM) an der Komponente (6) gemessen wird,
- ausgehend von der Verlustleistung (V) mit Hilfe eines thermischen Modells (14) der Komponente (6) eine Temperaturdifferenz (DT) für die Komponente (6) zwischen der Messtemperatur (TM) an der Komponente und der
Interntemperatur (Tl) ermittelt wird,
- die Interntemperatur (Tl) als Summe der Messtemperatur (TM) und der Temperaturdifferenz (DT) ermittelt wird,
- anhand der Interntemperatur (TM) und bekannter Komponentendaten (16) der Komponente (6) ein zulässiger Maximalwert (VM) für die Verlustleistung (V) ermittelt wird,
- ein Audiosignal (A) derart begrenzt wird, so dass die Verlustleistung (V) den Maximalwert (VM) nicht übersteigt und die maximale Interntemperatur nicht überschritten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verlustleistung (V) dadurch ermittelt wird, dass die Ausgangsleistung (LA) der Komponente (6) ermittelt wird und die Verlustleistung (V) anhand der
Ausgangsleistung (LA) und der bekannten Komponentendaten (16) ermittelt wird
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustleistung (V) auch anhand der Interntemperatur (Tl) und/oder der Messtemperatur (TM) ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im thermischen Modell (14) mindestens eine thermische Zeitkontante (pt) verwendet wird, die ein dynamisches thermisches Verhalten einer thermische Strecke (18) zwischen dem Ort der Interntemperatur (Tl) und dem Messort (13) der Messtemperatur (TM) beschreibt.
5 Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Maximalwert (VM) für die zulässige
Verlustleistung (V) anhand der Komponentendaten (16) ein Maximalwert (MA) für eine zulässige Ausgangsleistung (LA) der Komponente (6) ermittelt wird, und die Komponente (6) im leistungsreduzierten Sparbetrieb (S) so betrieben wird, dass die Ausgangsleistung (LA) auf den zugehörigen Maximalwert (MA) begrenzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Sparbetrieb (S) die Verlustleistung (V) mit Hilfe eines in einem Audiopfad (12) stromaufwärts der Komponente (6) angeordneten
Audiolimiters (10) auf den Maximalwert (VM) begrenzt wird, indem ein auf dem Audiopfad (12) geführtes Audiosignal (A) als Eingangssignal in die Komponente
(6) begrenzt wird.
7. Audioeinrichtung (2), mit einem Audiogerät (4), das innerhalb eine Komponente (6) enthält, die vor dem Überschreiten einer maximalen
Interntemperatur (Tl) zu schützen ist, und mit einem Schutzmodul (8) zur
Ausführung des folgenden Verfahrens, insbesondere zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche:
- Ermittlung einer Verlustleistung (V) der Komponente (6),
- Messung einer Messtemperatur (TM) an der Komponente (6),
- Ermittlung einer Interntemperatur (Tl) mit Hilfe eines thermischen Modells (14) der Komponente (6) ausgehend von der ermittelten Verlustleistung (V) und der gemessenen Messtemperatur (TM),
- Ermittlung eines zulässiger Maximalwert (VM) für die Verlustleistung (V) anhand der Interntemperatur (TM) und bekannter Komponentendaten (16) der
Komponente (6),
- Begrenzung eines Audiosignal (A) derart, so dass die Verlustleistung (V) einen Maximalwert (VM) nicht übersteigt und/oder die maximale Interntemperatur nicht überschritten wird.
8. Audioeinrichtung (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Audiogerät (4) und/oder die Audioeinrichtung (2) ein Audioverstärker ist.
9. Audioeinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (6) ein zu schützendes Halbleiterbauteil enthält oder ist, und die Interntemperatur (Tl) eine Sperrschichttemperatur im Halbleiterbauteil ist.
10. Audioeinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzmodul (8) einen Audiolimiter (10) enthält, der in einem Audiopfad (12) stromaufwärts des Audiogerätes (4) angeordnet ist und der dazu eingerichtet ist, ein auf dem Audiopfad (12) geführtes Audiosignal (A) als Eingangssignal in das Audiogerät (4) im Sparbetrieb (S) zu begrenzen.
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